金属材料的热塑性成形不仅为了获得零件或产品的形状，同时也为了改善材料的微观组织及获得良好的力学性能。热成形过程中伴随的动态再结晶（Dynamic Recrystallization，DRX）行为是改善材料组织和性能的重要机制，定量研究该过程的物理冶金原理，形成预报动态再结晶过程的数值方法，对于控制成形过程中的材料演变行为并最终获得良好性能的产品具有重要意义。形核行为是影响动态再结晶微观组织演化的重要因素。但是，由于实验条件的限制和动态再结晶过程的复杂性，目前不论是实验手段还是理论计算都无法准确描述形核行为。因此，如何准确获取形核信息是动态再结晶数值模拟的关键。本文在国家重点基础研究发展计划（973）项目（编号：2006CB705401）和国家自然科学基金项目（编号：50675133）的资助下，以低碳钢热成形的微观组织演变为研究对象，提出应用反分析方法揭示实验观测与理论计算均难以直接考察的形核行为规律，建立适用于低碳钢动态再结晶微观组织演化模拟的元胞自动机模型，主要研究内容如下：　　 （1）通过低碳钢SS400的Gleeble-1500热模拟实验，在蠕变方程、Avrami方程和Arrhenius关系的基础上，建立了半经验性质的动态回复-动态再结晶二阶段流动应力模型.根据高温变形过程中的主导软化机制的不同，将低碳钢高温流动应力曲线分为动态回复阶段和动态再结晶阶段，运用基于位错密度的加工硬化-动态回复模型、描述动态再结晶动力学的Avrami方程来表达加工硬化、动态回复和动态再结晶对流动应力的影响，分析模型参数随变形条件的变化规律，建立低碳钢的高温流动应力模型。模型计算值与实验值较好吻合。　　 （2）针对实验观测和理论计算均不能准确描述形核信息的问题，提出应用反分析方法对动态再结晶过程的元胞自动机模型进行模型辨识和参数辨识的新思路.根据物理冶金原理，形核行为直接影响动态再结晶微观组织演化过程，而后者决定了材料的宏观流动应力曲线。因此，对比元胞自动机模拟得到的流动应力曲线和实测曲线，其差别就反映了形核模型及其参数取值的合理程度。新方法通过自动优化技术实现。研究结果表明新方法不仅可以合理准确地确定现有模型中的参数，而且有助于模型的更新和完善，为探讨动态再结晶形核行为提供了有效而可靠的替代方法。　　 （3）基于物理冶金原理和元胞自动机模型能够揭示微观组织演化和宏观流动应力之间内在联系的特性，提出并实现了基于流动应力的模型参数辨识方法.由于动态再结晶的元胞自动机模拟具有计算量比较大的特点，引入适用于计算密集优化设计问题的自适应响应面方法以降低计算成本。以元胞自动机模型作为核心模块，定量模拟热变形条件下的动态再结晶微观组织演化和宏观流动应力；以自适应响应面方法作为辅助模块，为元胞自动机模型提供待定形核参数的预设值并评估输出结果。通过对比模拟结果和实验结果的物理特征，分析模拟偏差的产生原因，并据此提出新的形核模型。　　 （4）在Derby和Ashby基于统计理论的形核模型基础上，提出并建立了位错关联型形核模型，反映了变形储存能分布对动态再结晶形核行为的影响.实验研究与理论分析表明再结晶形核行为与变形储存能密切相关。考虑到变形材料中加工硬化和动态再结晶软化循环反复进行，形核行为实际上取决于微观的局部变形储能（位错密度）。为了揭示动态再结晶形核行为随变形储存能的变化规律，根据Derby和Ashby的形核模型，提出了晶界形核率和位错密度的平方根呈线性关系的基本假设，建立了位错关联型形核模型。通过对比模拟结果与实验结果之间的吻合程度，对改进的元胞自动机模型的合理性进行辨识。新模型给出的流动应力计算结果符合动态再结晶过程的物理特征，且与实验值的平均相对误差仅为1.02％，因此较好地反映了动态再结晶的物理过程。在此基础上.检验了该模型对动态再结晶其他物理特征的描述能力，例如，原始晶粒尺寸能够影响动态再结晶发生的过程，导致流动应力曲线的变化差异，应用改进的元胞自动机模型对低碳钢和纯铜动态再结晶行为进行模拟，模拟结果可以很好地反映上述特性，且模拟精度较传统的元胞自动机模型明显提高，表明该模型具有良好的预测能力和普适性。　　 （5）成功建立了适用于低碳钢在不同热力加工条件下动态再结晶微观组织演化模拟的元胞自动机模型。为了进一步考察应变速率和变形温度对动态再结晶行为的影响，运用改进的元胞自动机模型及其参数辨识方法模拟了不同变形条件下的动态再结晶行为，确定了各模型参数和变形条件之间的相关性模型，建立了适用于低碳钢动态再结晶微观组织演化模拟和预测的元胞自动机模型。模型不仅具有参数数量少、物理意义明确的优点，而且揭示了“热力加工参数（应变速率、变形温度、应变）-位错密度-再结晶形核与长大-流动应力”之间的关联机理，模拟结果具有较高精度。